复合铝板的制作方法

专利名称：复合铝板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合铝板及其制造方法。复合铝板被用作例如钎焊板。
USP2,691,815(分布于1954年)陈述了一种将二张相同或不同的金属和相同或不同厚度的金属板结合在一起的方法。首先，清洗这二张金属板的表面层以去除有害的表面薄膜，例如采用磨蚀继之以加热的方法。其次，冷轧这二张金属板以便在一些离散点上形成核键。较软的金属最好先进行表面加工硬化，以便使二张金属板尽可能有相同的硬度。第三，将这组合板加热(烧结)以使它们之间形成强力连结。虽然可举出无数的实例，但没有一例是表明二种Al合金连结在一起的。
铝材制造业采用以下生产技术，在相当大的规模上提供有由芯层和包复层组成的复合板。铸造出一块芯合金锭块，如必要时，对其作均质处理，修整并冷却到环境温度。将包复合金板置于上述锭块上面并使其固定就位。使这复合板在可逆式滚轧机上经受热轧(大于420℃)经此使其厚度减小降至大约10～25mm量级。
使上述板材在串列式滚轧机上经热轧成其厚度降至3.0～3.5mm的平板。随后将这热轧复合板经冷轧降至成品所要求的厚度。可以对其进行中间退火，而为了改善可成形性，通常要对其进行最终退火。
包复板在芯锭块上部的存在，使得在可逆式滚轧机上所消耗的时间至少要增加一倍。在通过可逆式滚轧机和串联式热轧机的轧制期间，包复板产生纵向和横向延伸。产生了大量价值相当低的混合废料。这复合板的成品率大约是初始锭块的60～65％。对包复板的厚度可加以限制，因为厚板材即使在热轧过程中也不易辊压连结。尽管这项技术有着明显的缺点，但它仍被普遍使用，且自60年代以来已被用来制造钎焊铝板。
按照本发明，所述的先前技术的缺点，只有在对芯层热轧已完成之后采用施加包复层的方法便能解决。虽然在采用热机械加工方法制造复合板时，尽可能迟地添加包复层可以认为是明显所希望的，但对这种方法是否可行则完全不清楚。首先，冷轧对于采用一种强到足以使其经得住冲压成形，深拉成形和其它例如钎焊板所经受的成形加工的连结方法，以使二种不同的金属板结合在一起是否有效尚不清楚。即使在常规的热轧技术中，在通过可逆式滚轧机的首次轧制时，辊压连结并没有发生。其次，辊压连结必须在精确控制条件下进行，以致使润滑剂或冷却剂不能进入这二张金属板表面层之间的间隙中，因而致使没有它们粘附到轧辊上的情况发生。本发明论及了这些关心的问题。
本发明提供了一种制造钎焊复合铝板的方法，该方法包括提供一张第一种Al合金的芯板和一张第二种Al合金的包复板，其中a)第一种Al合金的组成不同于第二种Al合金的组成，b)芯板的厚度大于包复板的厚度，c)芯板的硬度不同于包复板的硬度；清洗芯板和包复板的相向表面；和将芯板连同包复板一起进行冷轧，以便使它们辊压连结，从而制成复合铝板。
Al合金是以铝为主要组分的任何合金。可以使用纯铝金属作为包复板。芯合金和包复合金的组成将取决于复合板的预期应用。对于钎焊板而言，包复合金通常是4000系列合金(铝业协会注册号)和芯合金可以是3000系列合金。
复合板中的芯板通常要求具有所希望的机械性能例如强度和可成形性。复合板中的包复板通常要求具有特殊的表面性能。包复层可置于芯层的一侧或二侧表面上。包复层的厚度优选为芯层厚度的2～30％，更优选5～15％，虽然这范围的大小不是关键问题。在芯层的二侧均被包复的场合，二侧包复层的厚度和包复层合金可以是相同的或不同的。
对芯板和包复板的相向表面进行清洗，以保证在冷轧条件下它们能够辊压连结。涉及清除底层金属表面的化学清洗是满意的，但通常对此不作要求。应用无腐蚀作用的脱脂剂对表面进行水法脱脂处理通常就足够了。通常不必去除薄的氧化铝或氧化镁表面层。优选采用金属磨蚀例如应用钢丝刷的方法清洗表面；这样可能具有再分配的效果，而不是去除任何自然产生的表面氧化物。在这一清洗工序完成之后，对表面层进行干燥，然后随时可以实施冷轧工序。
冷轧工序优选对连续带材或带材卷连续地进行。可以设想成轧辊宽度达1200mm和直径达1000mm，并可以每分钟高这几百米的滚动速度作业。被辊压连结的芯板和包复板可以在线或者离线的状态下进行组合。在芯层二侧表面上均施加有包复层的场合，二次辊压连结作业可按二次单独的轧制方式通过滚压机来完成。因为在芯板和包复板的表面层之间存在有例如冷却剂或润滑剂之类的液体，便会妨碍辊压连结，故优选辊压连结的冷轧工序在不使用任何液态润滑剂或冷却剂的情况下完成。但是，可以要求使用防粘剂以防止复合板粘附在轧辊上。因为在高温下粘附仍可能是个问题，故可以优选复合板在温度不高于50℃下退出轧辊。本发明人已采用冷轧方法在厚度压缩率仅为15％的状态下完成了辊压连结。但是基本上预计这是最小值，而辊压连结采用的冷轧工序优选在厚度压缩率为20～70％，例如大约30％的状态下完成。为了将每张包复板辊压连结到芯板上，优选按单个轧制方式来完成冷轧工序。
本发明的一个特点是芯板的硬度不同于包复板的硬度。优选包复板比芯板要软。凭直观这令人感到吃惊。人们可以预料，如果一张板比另一张板软得多，那么在连续冷轧作业过程中，一张板将在纵向和横向上扩展，而另一张板几乎没有变形，并可能在复合板的包复层上形成横向扩散波，这样可能会阻碍二层之间的有效连结。本发明人已确定，虽然这些效应可能产生小的影响，但在实践中它们不是一个问题。关于使用比芯板要软的包复板有着正当的冶金学理由，现叙述如下。
上面所述冷轧工序导致形成复合板，其中采用强力的和连续的或基本上连续的连接方法使其结合到芯层上。如果这复合板太厚不符合其预定的使用，则可对其进行再次冷轧。通常这应是在存在有润滑剂的情况下进行的。可以对这复合板进行中间退火，例如因为这金属太硬不能进行经济的再滚压，和/或可以进行最终退火，例如为了提供处于改善了可成形性的较软状态的金属或提供处于中间回火产品状态的金属。为了改善可成形性，最终退火可以或者在低于芯层的再结晶温度下进行，尤其是在将平板形成管状的场合，或者在高于芯层的再结晶温度下进行。这些连续进行的冷轧和退火工序可以提高包复层和芯层之间的连结力。但据信，这样一些工序并不是提供一种能够经得住施加于钎焊板的成形作业的连结力所必需的。本发明的一个惊人的特点是，单个冷轧制通常就能有效地在包复层和芯层之间形成相当大的和连续的连结力，以致使复合板将经得住所要求承受的常规的处理和成形作业。
包复板和芯板的最佳厚度是相互关联的。如果包复板十分软，那么芯板可以是中等硬的。如果包复板是中等硬的，那么芯板可以是整体硬的，例如经冷轧基本上已被表面加工硬化的。在进行辊压连结工序期间，软的包复板将应变传递到芯板，从而避免了过高热量的出现。如果包复板的表面加工硬化变得比芯板的更迅速，那么可以避免包复板的过度扩展(导致俗称“龟裂”效应)。为了使复合板具有最大可成形性而对其进行最终的再结晶退火，可能必需使芯板在与包复板辊压连结之前，使其处于局部表面加工硬化状态。如果包复板比芯板稍微窄些可能是合适的。包复板和芯板的硬度的选择必须与其表面加工硬化性能有关，以便使二者有基本相同的伸长。
本发明预期对于以下这种钎焊合金板特别重要，即它包括一种铝基芯板和至少在其一侧上有一种含有硅作为主要成合金成分的铝基钎焊合金的包复板。这种具有良好耐蚀性、还具有良好抗下垂性和后钎焊强度的钎焊板，陈述于US5,037,707和US5,041,343和WO 94/22633(加拿大国际有限公司)中。这芯合金是以下组成的3000系列合金。
芯合金Fe ＜0.4Si ＜0.2Mn 0.7～1.7Mg 0～0.8Cu 0.1～1.0V和/或Cr ＜0.3Zn ＜0.2Ti ＜0.1其它每一种＜0.05，总计＜0.15Al 剩余量为了增加强度，在芯板中存在有Mg。Mg通常不出现在包复板中。当钎焊板是由至少含有0.05％Mg的芯板和包复板通过常规热轧技术制成时，就会有Mg从靠近界面的芯层区显著地迁移到靠近界面的包复层区。另一方面，当这样的钎焊板是采用冷轧方法将芯板和包复板辊压连结而形成时，正如本发明所见，基本上没有发生Mg穿过上述边界的迁移；这对于即使是已经受了最终的再结晶退火所得的钎焊板来说也是确实的。因此，有可能通过对钎焊板试件的检测便可能看出这包复层是通过热轧还是冷轧所施加的。
虽然现行冷包复技术会形成明显的界面区，该区含有从包复层和芯层二者扩散进入的元素，从而证明冶金上的结合已形成，但来自芯层的Mg没有扩散进入到在该区之外的包复材料中，尤其是邻近包复层外表面的Mg浓度并未增加而超出包复材料中原有量级。典型地，芯材料将比包复材料含有更多的Mn，Cu和Mg(亦即较高的含量)，而包复材料比芯材料含有更多的Si，因此，这界面区比原来的芯材料含有更多的Si，而比原来的包复材料含有更多的Mn，Cu和Mg。
再一方面，本发明提供了一种钎焊板，它包含含有Mg的第一种Al合金的芯层和第二种Al合金的包复层，其中Mg或者不存在，或者以显著地低于第一种Al合金所含Mg浓度存在，其特征在于基本上没有Mg从芯层迁移到包复层。优选第一种(芯层)合金具有上面提到的组成。
在钎焊板经受基于熔剂的钎焊的场合，包复材料一般被制成含有极低的Mg含量，因为Mg影响钎焊。典型地，Mg在包复材料中将低于0.1％，而优选Mg仅作为杂质存在(低于0.05％)。可是，如上所述，在热包复法中芯材料中的Mg将发生迁移，从而使包复材料中的Mg含量提升到会干扰熔剂钎焊法的水平。
在本冷包复法中所用的芯合金，优选含有至少0.05％的Mg而更优选至少含有0.1％Mg，因为用本方法制造的包复板比用热包复法生产的类似材料能更惊人地容忍芯层材料中的Mg。这似乎是因为在热轧包复板和芯材料的情况中，Mg的迁移增加了包复层表面上Mg的浓度，在钎焊过程中，它会增强氧化物在该处的形成，并且在存在有钎焊中经常使用的氟化物助熔剂的情况下，它还会与该熔剂形成会阻碍钎焊方法的不希望有的化合物。但是，Mg在芯层和包复层之间界面处的存在，对促进界面处富Cu相的生成(“褐色带”)是有利的，已经发现这能使耐蚀性增高。已惊人地发现，本发明能保证合金元素沿着界面充分地扩散，以保证有效的“褐色带”的形成，而又基本上避免了Mg扩散到包复层中。
在SWAAT试验中，实验已表明，在典型的X900合金的芯材料中，Mg浓度0.26％的存在比使用0.01％的Mg浓度增加了耐蚀性，所以在本发明中有着增加Mg在芯层中的能力，这使得有可能增加耐蚀性而不会有Mg扩散到包复层中的消极影响。典型的结果是，在经1000小时的SWAAT试验之后，在含有0.26％Mg材料的芯层上的坑深只有152微米，而在仅含0.01％Mg材料的芯层上，在相同条件下，坑深大于370微米(完全的孔眼)。
本发明可以用来将第二种包复层施加在以前形成的复合板上。例如，通过将一层材料热包复在芯材料上形成的复合板，可以用作本方法的“芯板”，然后将另一层包复层施加到该“芯板”的每一侧上。例如，这可以用来将第二层高Si铝合金施加到芯材料的与这样施加的第一层相对的一侧，或者可以用来建立一种使用三种不同合金的夹层结构，其中芯层和“夹层”采用原始包复作业方法制成，而最外层采用冷轧作业将其施加在复合板的“夹层”一侧。
本发明的涉及采用冷轧的辊压连结方法，比起常规热轧技术来有着以下一些优点有效热轧时间增加；回收增加；混合废料量减少；预热炉使用率减少——因为在芯合金经过均化作用之后将可以直接对其热轧；生产成本显著降低。
参考见附

图1，这是一张工艺流程图，它表明了将包复合金和芯合金之锭块转变成退火复合板所需工序的顺序。所表明的工序顺序是一种优选的顺序；正如以上和所附权利要求书中所指出的，某些工序可以变更或省略。
实施例1实验室实验已按以下材料分组地进行。
芯板是呈已硬化冷轧形态的X900合金(1.5％Mn，0.6％Cu，0.27％Mg，0.18％Fe，0.09％Si)，亦即厚3.5mm的整体硬板。包复合金是特指AA4045类Al-Si合金。在包复板已软退火、全硬或中间硬度状态下，对各种包复比例亦即100％和50％以及15％进行研试。可采用各种方法对包复板和芯板的表面进行清洗轧制后状态(亦即未作专门清洗)；利用Scotchbrite进行手工打磨；采用水脱脂法；采用腐蚀性侵蚀(以此去除氧化物还有表面金属)。
采用单道轧制通过实验室滚轧机不加润滑的方法，使一张芯板和一张包复板经受应变量为20～70％的冷轧。实验结果如下。在使用的这二张板是处于刚轧制后状态的场合，未见连结。但是如果包复板是处于整体软状态，则在这二张板的表面经所述的任一种技术清洗后，便产生相当强的和连续的连结。当包复板是如下表中列出的较硬板时，会要求较高的压缩率。
连结与冷轧压缩率和包复板硬度的关系
X＝未连结Y＝连结实施例2按实施例1那样制备试件，并在经采用Scotchbrite磨蚀法清洗之后进行辊压连结。具有与芯板同样厚度的包复板是处于整体软状态而芯板为整体硬状态。85％的冷轧压缩率经二次轧制后达到，第一次是50％压缩率。二次轧制均是无润滑的。然后对处于轧制后状态的和退火后的板之间的连结强度，采用常规的剥离试验法在20mm/分钟的应变速率下测出。结果是轧制后状态的撕裂强度 10±2MPa退火后的撕裂强度 132～605MPa(二次测试结果)实施例3使用AA4104作为包复材料重复实施例2。这包复板用于真空钎焊。剥离试验结果如下轧制后状态的撕裂强度 10±3MPa退火后的撕裂强度 147～185MPa实施例4使取自实施例2和3的退火材料经受模拟钎焊循环，并对穿过包复板和芯板的横截面进行了金相测验。应注意，正如EP 691 898中所述，有一褐色带形成。这进一步证明一种冶金上的结合已形成，因为这带的形成要求有通过芯板和包复板之间的界面的扩散作用。
实施例5图2是通过本发明的复合板的微探针扫描线图，它表明了四种合金元素在芯层和包复层之间的界面每一侧上的分布。应注意，几乎没有迹象表明，有Mg已从芯层扩散到包复层中，亦即基本上没有Mg存在于邻近界面的包复层区域中。
图3是同一种材料的GDEOS(辉光放电光学发射谱)扫描图，它展现出一幅该材料的较清晰的浓度曲线图。采用本发明的方法生产的材料的扫描图表明，有一层清楚的相互扩散层生成，这表明了金相连结已出现(与实施例4中发现的“褐色带”相一致)。采用热轧方法由相同组合物制成的包复板表明，有相当多数量的Mg扩散搀入到包复层的表面，从而将在熔剂钎焊过程中造成较大的困难。
权利要求
1.一种制造钎焊复合铝板的方法，该方法包括提供一张第一种Al合金的芯板和一张第二种Al合金的包复板，其中a)第一种Al合金的组成不同于第二种Al合金的组成，b)芯板的厚度大于包复板的厚度，c)芯板的硬度不同于包复板的硬度；清洗芯板和包复板的相向表面；和将芯板连同包复板一起进行冷轧，以便使它们辊压连结，从而制成复合铝板。
2.权利要求1的方法，其中芯板和包复板的相向表面均采用机械磨蚀或采用水法脱脂法进行清洗。
3.权利要求1或2的方法，其中复合铝板中的包复层厚度是芯层厚度的5～15％。
4.权利要求1～3之任一项的方法，其中芯板比包复板更硬。
5.权利要求1～4之任一项的方法，其中冷轧是对连续带材或带材卷连续进行的。
6.权利要求1～5之任一项的方法，其中用于辊压连结之冷轧是以单次轧制方式、厚度压缩率为20～70％下完成的。
7.权利要求1～6之任一项的方法，其中用于辊压连结之冷轧是在不使用任何液态润滑剂或冷却剂的条件下完成的。
8.权利要求1～7之任一项的方法，其中复合铝板当其离开冷轧工序时具有的温度不大于50℃。
9.权利要求1～8之任一项的方法，其中复合铝板要经受冷轧和/或最终退火。
10.权利要求1～9之任一项的方法，其中Mg或者在第二种Al合金中不存在，或者以比第一种Al合金中低得多的浓度存在，而且在辊轧过程中，基本上没有Mg从芯板扩散到包复板中。
11.权利要求1～10之任一项的方法，其中Mg在第一种合金中的含量大于0.05wt％，而在第二种合金中的含量小于0.05wt％。
12.权利要求1～11之任一项的方法，其中第二种合金含有比第一种合金更多的Si。
13.权利要求1～12之任一项的方法，其中第一种合金含有比第二种合金更多的Mg，Mn和Cu。
14.权利要求1～13之任一项的方法，其中存在有界面区，该区包含有Si和Mn，Cu及Mg，其中Si浓度比第一种合金中的要高，而Mn，Cu和Mg浓度比第二种合金中的要高。
15.权利要求1～14之任一项的方法，其中第一种合金的组成以wt％表示如下Fe ＜0.4Si ＜0.2Mn 0.7～1.7Mg 0～0.8Cu 0.1～1.0V和/或Cr ＜0.3Zn ＜0.2Ti ＜0.1其它 每一种＜0.05，总计＜0.15Al 剩余量
16.权利要求1～15之任一项的方法，还包含施加另外不同的Al合金层的工序。
17.权利要求16的方法，其中不同的Al合金层是被施加在芯板的尚未被权利要求1～15之任一项的方法所包复的表面上。
18.权利要求16的方法，其中不同的Al合金层是被施加在第二种Al合金的包复板上。
19.权利要求16～18之任一项的方法，其中芯板包含二种均不同于包复合金的独立的Al合金层。
20.一种钎焊板，它包含含有Mg的第一种Al合金的芯层和第二种Al合金的包复层，其中Mg或者不存在，或者以显著地低于第一种Al合金所含Mg浓度存在，其特征在于基本上没有Mg从芯层迁移到包复层。
21.权利要求20的钎焊板，其中Mg在第一种合金中的含量大于0.05wt％，而在第二种合金中的含量小于0.05wt％。
22.权利要求20或21的钎焊板，其中第二种合金含有比第一种合金更多的Si。
23.权利要求20～22之任一项的钎焊板，其中第一种合金含有比第二种合金更多的Mg，Mn和Cu。
24.权利要求20～23之任一项的钎焊板，其中存在有界面区，该区包含有Si和Mn，Cu及Mg，其中Si浓度比第一种合金中的要高，而Mn，Cu和Mg浓度比第二种合金中的要高。
25.权利要求20～24之任一项的钎焊板，其中第一种合金的组成以wt％表示如下Fe＜0.4Si＜0.2Mn0.7～1.7Mg0～0.8Cu0.1～1.0V和/或Cr＜0.3Zn＜0.2Ti＜0.1其它 每一种＜0.05，总计＜0.15Al剩余量
26.权利要求20～25之任一项的钎焊板，其中第一种Al合金的组成以wt％表示如下第一种合金Fe＜0.4Si＜0.2Mn0.7～1.7Mg0.1～0.8Cu0.1～1.0V和/或Cr＜0.3Zn＜0.2Ti＜0.1其它 每一种＜0.05，总计＜0.15Al 剩余量
27.权利要求20～26之任一项的钎焊板，其中不会发生Mg从芯层越过芯层和包复层之间的界面的迁移，故而包复层外表面上的Mg不会增加。
28.权利要求20～27之任一项的钎焊板，它进一步包含一层不同的Al合金层。
29.权利要求28的钎焊板，其中不同的Al合金层是在离包复层远的芯层的那个表面上。
30.权利要求28的钎焊板，其中不同的Al合金属是在包复层上。
31.权利要求28～30之任一项的钎焊板，其中芯层包含二种均不同于包复合金的独立的Al合金层。
全文摘要
本发明涉及一种制造钎焊复合铝板的方法，该方法包括提供一张第一种Al合金的芯板和一张第二种Al合金的包覆板，其中a)第一种Al合金的组成不同于第二种Al合金的组成，b)芯板的厚度大于包覆板的厚度，c)芯板的硬度不同于包覆板的硬度；清洗芯板和包覆板的相向表面；和将芯板连同包覆板一起进行冷轧，以便使它们辊压连结，从而制成复合铝板。还有一公开内容是钎焊板包含含有Mg的第一种Al合金的芯层和第二种Al合金的包覆层。
文档编号B23K20/24GK1486228SQ01821990
公开日2004年3月31日 申请日期2001年11月14日 优先权日2000年11月14日
发明者I·P·赫维特, A·格雷, K·G·达维斯, I P 赫维特, 达维斯 申请人:艾尔坎国际有限公司